專利名稱：新型紅外二氧化碳分析儀的制作方法
技術領域：
本實用新型提供一種新型紅外二氧化碳分析儀，用于測量氣體中二氧化碳的含量，屬于氣體分析技術。
目前，二氧化碳(CO2)分析儀在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護、航空航天等領域有廣泛的應用。二氧化碳分析儀的種類很多，就其原理來分有熱導式、密度計式、輻射吸收式、電導式、化學吸收式、電化學式、色譜式、紅外光學式等。其中，紅外光學式以其測量范圍寬、靈敏度高、精度高、反應快、有良好的選擇性及能進行連續(xù)分析和自動控制等特點成為二氧化碳氣體分析最常用的方法。
按照測量光束的數(shù)目分，紅外二氧化碳分析儀有時間雙光束結構和空間雙光束結構兩種。時間雙光束結構具有單光源、單氣室、單探測器件的優(yōu)點，但其是大弱點是存在活動部件，調整麻煩，耐振性差，可靠性低；空間雙光束結構無活動部件，克服了時間雙光束結構的缺點，但結構復雜、元器件多、成本高、且對加工、裝配工藝要求高。
據(jù)了解，目前國內外紅外二氧化碳分析儀生產(chǎn)廠家均采用上述時間雙光束結構或空間雙光束結構。國內的分析儀器廠多采用時間雙光束結構。國內外現(xiàn)有紅外二氧化碳分析儀存在的主要問題如下①采用的時間雙光束結構存在活動部件，調整麻煩、耐振性差、可靠性低、連續(xù)工作時間短。
②采用的空間雙光束結構復雜、元器件多、成本高、且對加工、裝配工藝要求高。
③檢測過程通常需在恒定的溫度下工作，環(huán)境溫度發(fā)生變化將直接影響紅外光源的輻射強度和紅外探測器件的響應度，同時還將影響測量氣室連續(xù)流動的氣樣密度發(fā)生變化，因此，分析儀溫度性能差，一般工作幾小時就需調零一次。
目前，已有帶有溫度補償?shù)募t外二氧化碳分析儀出現(xiàn)(這時不要求在恒定的溫度下工作)，但其補償過程完全由模擬電路實現(xiàn)，且其補償模型是溫度t的一元函數(shù)(Δy＝f(t))。因此補償效果較差，測量精度低。
④分析儀未加入微機處理系統(tǒng)。
為了克服上述不足，本實用新型的目的是設計一種體積小、重量輕、結構簡單、無活動部件、可靠性高、連續(xù)工作時間長，并具有單片機處理功能的新型紅外二氧化碳分析儀。
本實用新型是一種新型紅外二氧化碳分析儀，該儀器具有一殼體(16)，在殼體(16)表面設有復位鍵(17)、二氧化碳超標指示燈(18)、傳感器工作正常指示燈(19)、電源插座(20)、電源開關(21)、信號輸出端(22)、顯示板擴展接口(23)及具有管接咀(5)和(15)的進、出氣口(29)、(30)伸出的通孔(31)、(32)，該進、出氣口(29)、(30)連接儀器的外部設備——采樣氣泵(24)。在殼體的內部裝有光學探頭和電路板，在電路板上設有穩(wěn)流電路(27)、溫度傳感器(28)、放大電路(25)和單片機系統(tǒng)(26)，其特征在于該光學探頭主要由紅外光源(1)、測量氣室(3)和紅外探測器(8)組成，該紅外光源(1)采用鎳絡絲繞制成螺旋圓柱體，并由兩個鋼性電極支撐，安裝在紅外光源座(13)上，紅外光源座(13)的內側加工成一球形反射面，以增加通過測量氣室的光強，在紅外光源座(13)的兩側采用紅外光源上壓套(10)和紅外光源下壓套(14)及利用螺釘予以連接固定，測量氣室(3)采用超硬鋁拋光制成中空狀圓柱體，測量氣室(3)的一端設有高性能窄帶濾光片(6)，另一端采用青玉作為窗口材料形成青玉窗(2)，在測量氣室(3)上設有具有管接咀(5)、(15)的進、出氣口(29)、(30)，在靠近濾光片(6)的一側設有紅外探測器(8)，該紅外探測器(8)由紅外探測器上壓套(7)和紅外探測器下壓套(9)通過螺釘予以連接固定，連接后的紅外光源(1)，測量氣室(3)和紅外探測器(8)置入探頭底座(4)中組成光學探頭。
使用時由采樣泵將含有二氧化碳的氣體送入光學探頭的測量氣室，二氧化碳氣體被紅外光源吸收，并被紅外探測器探測，探測后的信號與溫度傳感器信號一起送入放大電路放大后經(jīng)單片機處理輸出。
本實用新型的優(yōu)點是①從光學結構上看，該分析儀采用的不切光單光束結構是單光源、單氣室、單探測器件，且無光束調制元件。因此，它的主要特點是無活動部件，力學性能高，且結構簡單，體積小，重量輕，功耗低。
②采用了有效的單片機溫度補償方法，分析儀連續(xù)工作時間長，零漂小，測量精度高。
本實用新型共有如下附圖圖1本實用新型的系統(tǒng)方框圖圖2本實用新型的光學探頭圖圖3本實用新型的穩(wěn)流電路方框圖圖4本實用新型的外觀示意圖圖5本實用新型的殼體后面板示意圖圖中標號如下1紅外光源2青玉窗 3測量氣室4探頭底座5管接咀 6濾光片7紅外探測器上壓套8紅外探測器9紅外探測器下壓套10紅外光源上壓套11螺釘 12彈簧墊圈13紅外光源座14紅外光源下壓套 15管接咀 16殼體17復位鍵 18指示燈 19指示燈20電源插座 21電源開關22信號輸出端23顯示板擴展接口 24采樣氣泵25放大電路26單片機系統(tǒng) 27穩(wěn)流電路28溫度傳感器29進氣口 30出氣口 31通孔 32通孔茲結合
本實用新型的實施例及工作過程該紅外二氧化碳分析儀由紅外光源(1)、測量氣室(3)、紅外探測器(8)、溫度傳感器(28)、穩(wěn)流電路(27)、放大電路(25)、單片機系統(tǒng)(26)及采樣氣泵(24)等組成，如圖1所示。
在分析儀的結構設計時，將紅外光源(1)、測量氣室(3)、濾光片(6)、紅外探測器(8)設置在同一光軸上，且紅外光源由穩(wěn)流電路(27)供電，供電電流為200mA。工作時，紅外光源(1)發(fā)出的4.26um波長的紅外光通過窗口材料青玉窗(2)入射到測量氣室(3)，測量氣室(3)由采樣氣泵(24)連續(xù)通以被測CO2氣體，CO2氣體被4.26um波長紅外光吸收，部分透過的紅外光由紅外探測器(8)探測。另外，由溫度傳感器(28)探測光學探頭的內部環(huán)境溫度。紅外探測器(8)和溫度傳感器(28)的輸出電信號分別經(jīng)放大電路處理后，輸入到單片機系統(tǒng)，并經(jīng)數(shù)字濾波、線性插值及溫度補償?shù)溶浖幚砗?，由單片機系統(tǒng)輸出CO2氣體濃度測量值。
紅外光源(1)采用Φ0.1mm的鎳絡絲繞制成阻值約24Ω、直徑Φ1mm、長為1.5mm的螺旋圓柱體，并由兩個鋼性電極支承，鋼性電極與紅外光源座(13)采取陶瓷固封。同時，在紅外光源座內側加工一球形反射面，以增加通過測量氣室(3)的光強。
測量氣室(3)采用超硬鋁拋光，氣室長度L＝30mm，氣室內徑D＝8mm。同時選用了高性能的窄帶光學濾光片(6)，其峰值波長為4.26um，半寬度為0.10um。另外，為了得到較高的機械性能，選用青玉作為窗口材料形成青玉窗(2)，其厚度選為1mm，太薄了則機械性能差，太厚了則透光性能差。
濾光片(6)和青玉窗(2)與測量氣室(3)兩端接合時，采用了加墊片用壓環(huán)固定，用6109膠密封的方式。另外，為了克服單色濾光片熱系數(shù)的影響，將單色濾光片(6)放置于測量氣室(3)的后窗口(靠近紅外探測)。分析儀光學探頭結構如圖2所示。
對于紅外二氧化碳分析儀，不論是采用時間雙光束結構還是空間雙光束結構，其目的都是為了實現(xiàn)測量光束與參考光束的參比處理，以消除紅外光源輻射功率及紅外探測器響應度溫度漂移等因素，提高測量精度。對于不切光單光束結構，它只有測量光束，不能實現(xiàn)參比處理。為此，該二氧化碳分析儀采用了如下技術
①設計并采用了高性能紅外光源反饋穩(wěn)流電路(27)。該電路提供一恒定的光源電流，穩(wěn)定紅外光源的輸出功率。紅外光源反饋穩(wěn)流電路方框圖如圖3所示，精密基準電壓由MC1403輸出恒定的2V電壓作為比較器的比較基準。
②選用了高性能薄膜溫差電堆為紅外探測器(8)。其主要性能如下響應度 25.5V/W響應度溫度系數(shù) -0.3％(0-70℃線性)NEP 5.3×10-10響應時間 100ms響應波長 0.13～12um溫度范圍 -40～+80℃③采用了有效的單片機溫度補償方法。為克服環(huán)境溫度對紅外二氧化碳分析儀測量結果的影響，該分析儀在光學探頭底座且靠近氣室的位置處放置一熱敏電阻溫度傳感器(28)，以探測光學探頭的內部環(huán)境溫度，并由單片機系統(tǒng)(26)依光學探頭的內部環(huán)境溫度對該分析儀的測量結果進行環(huán)境溫度漂移的實時綜合補償和修正。
單片機系統(tǒng)除進行溫度實時綜合補償和修正以外，還完成以下主要工作·測量信號數(shù)字濾波·測量結果線性插值·分析儀實時自檢1)溫度補償數(shù)學模型的建立本設計做了大量的溫度模擬實驗研究，研究結果表明，溫度補償量可由環(huán)境溫度t和被測二氧化碳濃度y的二元一次函數(shù)近似表示，且這種近似具有足夠的精度。溫度補償數(shù)學模型如下Δy＝f(t，y)＝(ay+b)(t-t0)式中t0是分析儀標定時的環(huán)境溫度；a、b是待定系數(shù)，可通過最小二乘擬合方法由溫度模擬實驗測量數(shù)據(jù)求出。
2)溫度補償量的求解方法在溫度補償數(shù)學模型中，溫度補償量Δy既是環(huán)境溫度t的函數(shù)，又是被測二氧化碳濃度y的函數(shù)，而二氧化碳濃度的準確值事先是未知的，因此對Δy直接求解并不容易實現(xiàn)。為此，專利申請者采用了迭代逼近方法求解，并由未經(jīng)補償?shù)亩趸紳舛戎苯訙y量值作為迭代初值y0，全部求解過程由微機完成。
該分析儀具體性能指標如下量程 0～3％(可擴展)響應時間 1.5S(氣體流量為0.5l/min)環(huán)境溫度 0～50℃預熱時間 10min功耗 5W連續(xù)工作時間 ＞1個月精度 ≤±3％FS
權利要求1.一種新型紅外二氧化碳分析儀，該儀器具有一殼體(16)，在殼體(16)表面設有復位鍵(17)、二氧化碳超標指示燈(18)、傳感器工作正常指示燈(19)、電源插座(20)、電源開關(21)、信號輸出端(22)、顯示板擴展接口(23)及具有管接咀(5)和(15)的進、出氣口(29)、(30)伸出的通孔(31)、(32)，該進、出氣口(29)、(30)連接儀器的外部設備——采樣氣泵(24)，在殼體的內部裝有光學探頭和電路板，在電路板上設有穩(wěn)流電路(27)、溫度傳感器(28)、放大電路(25)和單片機系統(tǒng)(26)，其特征在于該光學探頭主要由紅外光源(1)、測量氣室(3)和紅外探測器(8)組成，該紅外光源(1)采用鎳絡絲繞制成螺旋圓柱體，并由兩個鋼性電極支撐，安裝在紅外光源座(13)上，紅外光源座(13)的內側加工成一球形反射面，在紅外光源座(13)的兩側采用紅外光源上壓套(10)和紅外光源下壓套(14)及利用螺釘予以連接固定，測量氣室(3)采用超硬鋁拋光制成中空狀圓柱體，測量氣室(3)的一端設有高性能窄帶濾光片(6)，另一端采用青玉作為窗口材料形成青玉窗(2)，在測量氣室(3)上設有具有管接咀(5)、(15)的進、出氣口(29)、(30)，在靠近濾光片(6)的一側設有紅外探測器(8)，該紅外探測器(8)由紅外探測器上壓套(7)和紅外探測器下壓套(9)通過螺釘予以連接固定，連接后的紅外光源(1)，測量氣室(3)和紅外探測器(8)置入探頭底座(4)中組成光學探頭。
專利摘要一種新型紅外二氧化碳分析儀，光學探頭主要由紅外光源、測量氣室和紅外探測器組成，該紅外光源采用鎳絡絲燒制成螺旋圓柱體，并由兩個鋼性電極支撐，安裝在紅外光源座上，紅外光源座的內側加工成一球形反射面，測量氣室采用超硬鋁拋光制成中空狀圓柱體，測量氣室的一端設有濾光片，另一端形成青玉窗，在測量氣室上設有具有管接嘴的進、出氣口，在靠近濾光片的一側設有紅外探測器，該紅外探測器的紅外光源，測量氣室和紅外探測器連接好后置入探頭底座中組成光學探頭。
文檔編號G01N21/31GK2243656SQ95215459
公開日1996年12月25日 申請日期1995年7月5日 優(yōu)先權日1995年7月5日
發(fā)明者張廣軍, 呂俊芳, 周秀銀, 周浩敏, 袁梅 申請人:北京航空航天大學